книги / Температурные напряжения и малоцикловая усталость

микроструктуры, связанным с действием высокой температуры. При температурном цикле от 843 до 93° С после циклического нагружения образца при числе циклов, равном половине долго­ вечности при термической усталости, уменьшение долговечности при длительном статическом нагружении составило 98%. Влия­ ние предварительного длительного статического нагружения на циклическую долговечность исследовали в лаборатории автора. Серию образцов из сплава 8-816 и инконеля 550 нагружали в те­ чение различного времени при температуре 732° С, а затем сни­ мали с машины для испытаний на длительную прочность. Пла-

Ы(-Ь01 --------------------------------------------- --

О

20

Рис. 5.20. Влияние предварительных испытаний на длительную прочность на долговечность сплава инко­ нель 550 при испытаниях на термическую усталость

стичность при растяжении измеряли при температуре испытаний (рис. 5.18). После этого оценили влияние падения пластичности на долговечность при термоусталостном нагружении по уравне­ нию (3.1), предположив, что М приблизительно пропорцио­ нально П:

где и М2 — числа циклов до разрушения в условиях нагру­ жения материала температурными напряжениями при значении пластичности Юг и П 2 соответственно; г — показатель степени в уравнении кривой усталости, записанном в пластических де­ формациях. Это уравнение является приближенным и может служить только для того, чтобы ориентировочно оценить, суще­ ственно ли влияние падения пластичности, обусловленного пред­ шествующим нагружением, на снижение долговечности. По дан­ ным рис. 5.18 и уравнению (5.4) проведены оценочные расчеты, результаты которых показаны штриховыми кривыми на рис. 5.19 и 5.20. Экспериментальные данные указаны кружками, а осредненная кривая, соответствующая экспериментальным данным,— сплошной линией [5.5]. Расчеты проведены для значений г, равных —; 1/ 2 и —г/3. Результаты хорошо согласуются с данными

эксперимента (сплошная линия). Для подтверждения справедли­ вости этого метода необходимо большее число данных, и по пред­ ставленным результатам можно судить о возможности определения остаточной циклической долговечности по данным измерения оста­ точной пластичности.

5.5.4. Влияние предшествующего наклепа. Коффин исследовал влияние предварительного наклепа [5.7]. Когда материал под­ вергается обычному испытанию на механическую усталость в вы­ сокоцикловой области, предварительный наклеп увеличивает число циклов до разрушения. Однако в области малого числа циклов циклическая долговечность может уменьшаться в резуль­ тате предшествующего наклепа. Подобное падение циклической долговечности возможно в случае термоусталостного нагружения.

Это обстоятельство можно объяснить тем, что при обычных усталостных испытаниях долговечность определяется уровнем напряжений, в то время как при испытаниях на термическую уста­ лость основным фактором является уровень деформации. Наклеп увеличивает предел текучести, так что для заданного напряжения пластическая циклическая деформация снижается; поэтому при испытаниях на механическую усталость долговечность накле­ панного металла превышает долговечность отожженного. Если задана деформация, как при испытаниях на термическую уста­ лость, снижение пластичности в результате наклепа может умень­ шать долговечность, если прикладываемые деформации достаточно велики.

5.6. ОТЛИЧИЕ ТЕРМИЧЕСКОЙ УСТАЛОСТИ ОТ МЕХАНИЧЕСКОЙ

Ранее рассмотрен ряд факторов, которые характеризуют связь между усталостью, вызываемой механическим и термическим нагружением. Отмечено, что оба типа циклического нагружения очень близки. Главная причина термической усталости в том, что стеснение естественного теплового расширения вызывает по­ явление механической деформации, которая после определенного числа циклов вызывает усталостное разрушение, как и в случае чисто механического нагружения. Однако между обоими видами усталости существуют различия, которые сводятся к следующему:

1. При термической усталости пластическая деформация имеет тенденцию к концентрации в наиболее нагретых областях тела. В дополнение к деформации в горячей зоне, которая обусловлена обычным стеснением теплового расширения, эта зона может, кроме того, поглощать деформацию, которая должна была бы возникнуть в более холодных областях тела, если бы предел теку­ чести не снижался при росте температуры. Таким образом слабое звено принимает на себя максимальную нагрузку.

2. Термическая усталость характеризуется локализованным накоплением деформации. При механической усталости в усло-

виях постоянной повышенной температуры одни и те же области поочередно подвержены пластическим деформациям растяжения и сжатия. Пластическая деформация сжатия повышает сопроти­ вление материала пластической деформации растяжения [5.11]. В закрепленном образце при наличии перепада температуры большая пластическая деформация сжатия происходит в горячей зоне образца вследствие более низкого предела текучести в этой зоне. Она стремится вызвать осадку в более горячей области, увеличивая площадь поперечного сечения. Когда образец охла­ ждается, напряжение в этой области несколько ниже, чем на смеж­ ных участках, не подвергавшихся осадке при сжатии. Поскольку предел текучести при низкой температуре восстанавливается, то в области осадки возникают меньшие пластические деформации растяжения, чем в более напряженной части, имеющей уменьшен­ ное поперечное сечение.

Процесс повторяется в последующих циклах, обусловливая в конце концов выпуклость в наиболее нагретой части и сужение на смежном участке. Этот механизм выпучивания отмечен в испыта­ ниях, проведенных Клауссом и Фримэном [5.5]. Концентрация деформации растяжения в одной области и деформации сжатия

вдругой изменяет усталостные характеристики материала.

3.Циклическое изменение температуры может оказывать зна­ чительное влияние на материал. Это влияние может быть уста­ новлено [5.9] для металлов с некубической решеткой, таких как цинк и уран, а иногда даже для материалов с более обычной струк­

шая температура цикла была такой, что происходило некоторое выделение карбидов, причем первоначально растворялись не­ большие частицы. При охлаждении до низких температур кар­ биды вновь выделялись, но вместо выпадения в осадок в виде очень мелких частиц, как и до растворения, они выделялись в виде частиц значительно большего размера, которые в дальнейшем не растворялись. Последующее циклическое изменение темпера­ туры вызывало насыщение структуры карбидами. Следовательно, можно ожидать, что по крайней мере в некоторой области тем­ ператур циклическое изменение температуры будет обусловливать получение результатов, отличных от тех, которые могут быть при постоянной температуре, заключённой в интервале между наибольшей и наименьшей температурами цикла.

4. Влияние совместного изменения температуры и деформа­ ции также является фактором, отличающим термическую уста­ лость от механической при постоянной температуре. Деформация происходит в диапазоне температур и поэтому может оказывать различное влияние на микроструктуру и механические свой­ ства.

5. Скорости, при которых проводят испытания на термическую

имеханическую усталость, обычно значительно отличаются.

скую усталость трудно предсказать долговечность по данным о долговечности при изотермической механической усталости. Ограниченные данные показывают, что долговечность при испы­ таниях на термическую усталость иногда значительно меньше, чем долговечность механически деформируемого образца при та­ кой же полной деформации, но при постоянной температуре, равной средней температуре испытаний на термическую усталость. Вопрос о том, влияет ли циклическое изменение температуры само по себе на прочность, помимо деформации, вызываемой внешним стеснением, требует дальнейшего исследования. Однако имеются данные о том, что некоторые материалы, такие как цинк, кадмий, олово и а-уран, подвержены поверхностному короблению в результате изменения температур при отсутствии температур­ ного градиента и внешнего стеснения.

Влияние предварительного термического циклирования на длительную прочность зависит от материала и числа циклов пред­ варительного нагружения. Обычно это влияние отрицательное; однако в некоторых случаях оно может быть и положительным. Небольшое число циклов нагружения температурными напряже­ ниями увеличивает сопротивление длительному статическому раз­ рушению дисперсионно-твердеющих материалов, таких как сплав 5-816, в котором старение может привести к положитель­ ному эффекту.

Исследованные материалы (нержавеющая сталь типа 347, сплав 8-816 на основе кобальта и сплавы на основе никеля, ин­ конель и инконель 550) обладают существенно отличающимися характеристиками термической усталости, поэтому трудно пред­ сказать поведение одного, исходя из свойств других. Для того чтобы достаточно полно объяснить поведение материалов при термической усталости, необходимо исследовать большее коли­ чество материалов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

5.8. СоШп Ь. Р., ,1г. Оез1*дп Азрес1з о! Н1*дЬ Тегпрега1иге РаМдие угШ1 Раг11си1аг Ке^егепсе 1о ТЬегша1 5(геззез. Тгапз. А5МЕ, уо1. 78, 1956, 527—532.

5.9.СоШп Ь. р., Лг, 51гат СусНлд апс! ТЬегша! 51гезз РаИдие. Ргос. 8адашоге Соп!., 1957.

5.10.СоШп Ь. Р ., ,1г. ТЬе РгоЫеш о? ТЬегшаРз^гезз РаЫдие т Аиз1епШс 51ее1з а! Е1еуа!е(1 Тетрега{игез. А5ТМ 5рес. ТесЬ. РиЫ. 165, 1954, р. 31—49.

5.12.Ма]огз Н., ,1г. ТЬегта1 апс! МесЬатса1 РаИдие оГ ЬПске! апс! ТИашит. Тгапз. А т . 5ос. Ме1а1$, уо!. 51, 1959, р. 421—437.

5.13.3\ушс1етап К. \У;, Ооид1аз Э. А. ТЬе РаПиге оГ 51гис!ига1 Ме1а1з 5иЬ]ес*ес11о 5{гат-СусНпд СопбШопз. ,1. Ваз1С Епд., со!. 81, ,1ипе, 1959, р. 203—

212.

Г л а в а 6. ТЕПЛОВОЙ УДАР

ВВЕДЕНИЕ

Тепловой удар обычно соответствует таким состояниям тела, когда оно испытывает внезапное изменение температуры, связан­ ное с изменениями температуры внешней среды либо внутренних источников тепла. Эта особенность изменения температуры отли­ чает тепловой удар от обычных условий действия статических или медленно изменяющихся температурных напряжений. Такие свойства, как удельная теплоемкость и теплопроводность, кото­ рые в явной форме не учитываются при расчете температурных напряжений при известных температурных условиях, становятся важными в условиях теплового удара, так как они характеризуют температуру, температурные градиенты и скорость изменения градиентов, в свою очередь, определяющие деформации и ско­ рости деформации. Материалы могут обладать различной чувстви­ тельностью к градиентам напряжений или скорости деформиро­ вания, поэтому сравнение материалов в условиях теплового удара может дать результаты, существенно отличающиеся от результа­ тов сравнения при медленно изменяющихся температурных на­ пряжениях.

Эта глава посвящена рассмотрению условий теплового удара для хрупких и пластичных материалов. Основная цель—показать, что свойства материала являются результатом взаимодействия многочисленных сложных факторов и предсказание характеристик при тепловом ударе в лучшем случае может быть только каче­ ственным. Тем не менее в последние годы был достигнут значитель­ ный прогресс в понимании действия ряда факторов, которые опре­ деляют свойства материала. Некоторые результаты приведены

вконце этой главы.

6.1.ХРУПКИЕ МАТЕРИАЛЫ

Взависимости от поведения материалов в условиях теплового удара они разделяются на две группы — хрупкие и пластичные. Фактически это деление условно, поскольку хрупкость не является

вряде случаев свойством материала и проявляется в результате взаимодействия свойств, структуры и нагрузки. Один и тот з$е материал может быть пластичным при одних условиях и хрупким при других. Не будем здесь придерживаться строгих определений

и используем обычную инженерную трактовку хрупкости: мате­ риал рассматривается как хрупкий, если разрушение при испы­ тании на растяжение гладкого образца происходит с малой пла­ стической деформацией, например, меньше, чем 0,5%. В таких случаях можно ожидать, что разрушение материала в более сложных ситуациях будет определяться главным образом распре­ делением упругих напряжений и рассмотрение пластичности при расчете не является необходимым. Поэтому для получения кри­ терия разрушения и параметров для оценки таких материалов достаточно рассмотреть только упругие' напряжения.

6.1.1. Уравнение для напряжений в плоской пластине. Для того чтобы сделать обсуждение конкретным, рассмотрим однород­ ную плоскую пластину с равномерным распределением темпера­ тур и при резком помещении ее в среду с более низкой темпера­ турой. Решение этой задачи хорошо известно, и в последнее время появилось множество публикаций по этому вопросу [6.2, 6.6].

Большинство одномерных задач может быть рассмотрено прин­ ципиально тем же путем, как обсуждаемая задача, поэтому вы­ воды, относящиеся к плоской пластине, справедливы для других форм при условии изменения констант. Заметим также, что в этом случае температурная задача является одномерной, т. е. в пло­ ской пластине изменение температуры рассматривается только в направлении толщины. Задача ставится таким образом потому, что в литературе имеется относительно мало решенных двумер­ ных задач и, кроме того, качественные выводы из этой задачи применимы для более сложных случаев.

На первом этапе в задаче о плоской пластине определяется распределение температур в момент времени изменения темпера­ туры окружающей среды т. После того как это распределение температур получено, напряжения могут быть легко определены по простым формулам, известным из теории упругости. Если пред­ положить, что свойства материала не изменяются и материал упругий, можно написать следующее уравнение для безразмер­ ных напряжений в любой точке по толщине пластины:

где Тср — средняя температура по толщине пластины;- Т — тем­ пература в точке, где рассматриваются напряжения; Т0— перво­ начальная равномерная температура пластины, отсчитываемая от температуры окружающей среды. Физически о* можно рас­ сматривать как отношение фактически действующих напряжений к напряжениям, которые имели бы место при полном стеснении теплового расширения. Формула для а* имеет вид

На рис. 6.1 безразмерное напряжение на поверхности дано как функция безразмерного времени для различных значений критерия Ро. Этот график отражает сущность общего решения для напряжения на поверхности плоской пластины.

6.1.3.Максимальные напряжения на поверхности. Рассмотрим

максимальные напряжения на поверхности как функцию Вн В работах [6.2 и 6.5] максимальные напряжения аналитически определены из решения в рядах. Например, Брэдшо [6.2] рас-

■>т а л

щены. Тогда максимальные напряжения определяют прирав­ ниванием нулю производной напряжения по времени. В этом случае получают точные результаты, но они являются спра­ ведливыми при малых Вь Поскольку рис. 6.1 дает полное изменение напряжений по времени, дифференцирование не является необходимым. Максимальное значение напряжения может быть получено по кривой для каждого значения В1, и эти результаты будут верными в полном диапазоне Вт, а не

только в некоторых интервалах. График Стах— В1 показан на рис. 6.2. Безразмерные максимальные напряжения изменяются по В1 приблизительно линейно при малых значениях В1, но при­ ближаются асимптотически к единице при очень больших значе­ ниях ВТ

Для того чтобы получить простую формулу для кривой, пока­ занной на рис. 6.2, используем приближение, впервые сформули­ рованное Буессемом [6.5]. Принимая некоторые более общие